DE112017005170B4 - WHR system with aluminum condenser - Google Patents

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Abstract

WHR-System für ein Fahrzeug (1), wobei das WHR-System eine Pumpe (3), die konfiguriert ist, um ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf (4) unter Druck zu setzen und umzuwälzen, einen Verdampfer (5), in dem das Arbeitsmedium konfiguriert ist, um erhitzt und verdampft zu werden, einen Expander (7), in dem das Arbeitsmedium konfiguriert ist, um zu expandieren, und einen Kondensator (13), in dem das Arbeitsmedium konfiguriert ist, um gekühlt und kondensiert zu werden, umfasst, wobei:- der Kondensator (13) aus Aluminium hergestellt ist,- das WHR-System eine Kühlanordnung umfasst, die konfiguriert ist, um das Arbeitsmedium derart zu kühlen, dass es eine Temperatur aufweist, wenn es in den Aluminiumkondensator eintritt, bei der das Arbeitsmedium für den Aluminiumkondensator (13) als unschädlich angesehen wird,- die Kühlanordnung eine Kühlkomponente (9, 17) umfasst, die konfiguriert ist, um das Arbeitsmedium in einer Position stromabwärts von dem Expander (7) und stromaufwärts des Kondensators (13) zu kühlen,- die Kühlanordnung einen Temperatursensor (12), der die Temperatur des Arbeitsmediums abtastet, eine Steuereinheit (14), die konfiguriert ist, um von dem Temperatursensor (12) eine Information über die Temperatur des Arbeitsmediums zu empfangen und um die Zufuhr eines Kühlfluids zu der Kühlkomponente (9, 17) zu steuern, um die Temperatur des Arbeitsmediums, das in den Kondensator (13) eintritt, einzuschränken, umfasst, und- die Kühlkomponente eine Kühlschlange (9) ist, in der das Arbeitsmedium durch eine Kühlluftströmung gekühlt wird.A WHR system for a vehicle (1), the WHR system comprising a pump (3) configured to pressurize and circulate a working fluid in a closed circuit (4), an evaporator (5) in which the working medium is configured to be heated and vaporized, an expander (7) in which the working medium is configured to expand and a condenser (13) in which the working medium is configured to be cooled and condensed, comprises, wherein: - the condenser (13) is made of aluminum, - the WHR system comprises a cooling arrangement configured to cool the working medium such that it has a temperature when it enters the aluminum condenser at which the working medium is considered harmless to the aluminum condenser (13), - the cooling arrangement comprises a cooling component (9, 17) configured to keep the working medium in a position downstream of the expander (7) and upstream of the K condenser (13),- the cooling assembly includes a temperature sensor (12) sensing the temperature of the working fluid, a control unit (14) configured to receive information about the temperature of the working fluid from the temperature sensor (12), and to control the supply of a cooling fluid to the cooling component (9, 17) to limit the temperature of the working fluid entering the condenser (13), and- the cooling component is a cooling coil (9) in which the working fluid is cooled by a flow of cooling air.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIKBACKGROUND OF THE INVENTION AND PRIOR ART

Die vorliegende Erfindung betrifft ein WHR-System für ein Fahrzeug.The present invention relates to a WHR system for a vehicle.

Ein WHR-System (System zur Wiedergewinnung von Abwärme) kann in Fahrzeugen zum Wiedergewinnen von thermischer Abfallenergie verwendet werden und wandelt diese in mechanische Energie oder elektrische Energie um. Ein WHR-System umfasst eine Pumpe, die ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf unter Druck setzt und umwälzt. Der Kreislauf umfasst einen oder mehrere Verdampfer, in dem bzw. denen das Arbeitsmedium durch eine oder mehrere Wärmequellen, wie beispielsweise die Abgase aus einem Verbrennungsmotor, erhitzt und verdampft wird. Das unter Druck gesetzte und erhitzte gasförmige Arbeitsmedium wird zu einem Expander geleitet, in dem es expandiert. Der Expander erzeugt mechanische Energie, die verwendet werden kann, um das Fahrzeug oder Geräte in dem Fahrzeug zu betätigen. Alternativ ist der Expander an einen Generator angeschlossen, der elektrische Energie erzeugt. Das Arbeitsmedium, das den Expander verlässt, wird zu einem Kondensator geleitet. Das Arbeitsmedium wird in dem Kondensator auf eine Temperatur abgekühlt, auf der es kondensiert. Das verflüssigte Arbeitsmedium wird auf die Pumpe umgeleitet, die das Medium unter Druck setzt. Somit kann die Abwärmeenergie beispielsweise aus den Abgasen aus einem Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug anhand eines WHR-Systems wiedergewonnen werden. Folglich kann ein WHR-System den Kraftstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors reduzieren. Gewöhnlich wird ein Kondensator in einem WHR-System aus rostfreiem Stahl hergestellt, um für hohe Drücke, hohe Temperaturen und ein korrosives Arbeitsmedium, wie etwa Ethanol, beständig zu sein. Rostfreier Stahl ist ein relativ kostspieliges Material und seine Wärmeübertragungseigenschaften sind nicht ausgezeichnet. Folglich ist ein Kondensator aus rostfreiem Stahl schwer und kostspielig.A WHR (waste heat recovery) system can be used in vehicles to recover waste thermal energy and convert it into mechanical energy or electrical energy. A WHR system includes a pump that pressurizes and circulates a working fluid in a closed loop. The circuit includes one or more evaporators in which the working medium is heated and evaporated by one or more heat sources, such as the exhaust gases from an internal combustion engine. The pressurized and heated gaseous working fluid is sent to an expander where it expands. The expander generates mechanical energy that can be used to operate the vehicle or devices within the vehicle. Alternatively, the expander is connected to a generator that produces electrical energy. The working fluid leaving the expander is sent to a condenser. The working medium is cooled in the condenser to a temperature at which it condenses. The liquefied working medium is diverted to the pump, which pressurizes the medium. Thus, for example, the waste heat energy can be recovered from the exhaust gases from an internal combustion engine in a vehicle using a WHR system. Consequently, a WHR system can reduce fuel consumption of an internal combustion engine. Usually, a condenser in a WHR system is made of stainless steel to withstand high pressure, high temperature, and a corrosive working medium such as ethanol. Stainless steel is a relatively expensive material and its heat transfer properties are not excellent. Consequently, a stainless steel condenser is heavy and expensive.

Die US 2013 / 0 186 087 A1 zeigt ein System zur Wiedergewinnung von Abwärme für eine Verwendung mit einer Brennkraftmaschine. Das System umfasst einen Abwärmeverwerter, der betriebsfähig an einen Arbeitsfluidkreislauf stromabwärts von einem Expander und stromaufwärts von einem Kondensator angeschlossen ist, um Wärme aus dem Arbeitsfluid wiederzugewinnen, bevor das Arbeitsfluid durch den Kondensator fließt. Der Abwärmeverwerter gibt die Wärmeenergie aus dem expandierten Arbeitsfluid an das Arbeitsfluid stromabwärts von dem Kondensator ab.The U.S. 2013/0 186 087 A1 shows a waste heat recovery system for use with an internal combustion engine. The system includes a waste heat regenerator operably connected to a working fluid circuit downstream of an expander and upstream of a condenser to recover heat from the working fluid before the working fluid flows through the condenser. The waste heat regenerator releases the thermal energy from the expanded working fluid to the working fluid downstream of the condenser.

Die DE 11 2015 004 953 T5 zeigt ein Kühlmodul ist mit einem Motorsystem und einem Clausius-Rankine-Prozess-Abwärmerückgewinnungssystem gekoppelt. Das Kühlmodul enthält einen Wärmetauscher zum Kühlen eines Fluids des Motorsystems und einen Kondensator zum Kühlen eines Arbeitsfluids des Clausius-Rankine-Abwärmerückgewinnungssystems, die sich beide in einer Breitenrichtung des Kühlmoduls erstrecken und gegenüber einem Strom der Kühlluft in einer Tiefenrichtung des Kühlmoduls durchlässig sind. Der Kondensator enthält eine erste röhrenförmige Sammelkammer, die sich in einer Höhenrichtung des Kühlmoduls erstreckt. Ein Arbeitsfluidübertragungsrohr koppelt die erste röhrenförmige Sammelkammer fluidisch mit dem Clausius-Rankine-Prozess-Abwärmerückgewinnungssystem. Das Arbeitsfluidübertragungsrohr weist einen ersten Teil, der sich in der Tiefenrichtung erstreckt, und einen zweiten Teil, der sich in der Höhenrichtung erstreckt, auf, wobei sich der zweite Teil in der Breitenrichtung neben der ersten röhrenförmigen Sammelkammer befindet.The DE 11 2015 004 953 T5 Figure 12 shows a cooling module coupled to an engine system and a Rankine cycle waste heat recovery system. The cooling module includes a heat exchanger for cooling a fluid of the engine system and a condenser for cooling a working fluid of the Rankine waste heat recovery system, both of which extend in a width direction of the cooling module and are permeable to a flow of the cooling air in a depth direction of the cooling module. The condenser includes a first tubular plenum extending in a height direction of the cooling module. A working fluid transfer tube fluidly couples the first tubular plenum to the Rankine cycle waste heat recovery system. The working fluid transmission tube has a first part extending in the depth direction and a second part extending in the height direction, the second part being adjacent to the first tubular plenum in the width direction.

Die US 2015 / 0 267 638 A1 zeigt ein Abwärmerückgewinnungssystem für einen Motor, das umfasst: eine Fluidversorgung; einen oder mehrere Verdampfer, die angepasst sind, um Abwärme von dem Motor auf Fluid von der Fluidversorgung zu übertragen, um das Fluid zu einem überhitzten Dampf zu erhitzen; einen Kondensator; einen Bypass-Kreislauf, der in Fluidverbindung mit einem Auslass an dem einen oder den mehreren Verdampfern und einem Einlass an dem Kondensator steht; und eine Einspritzöffnung, die in Fluidverbindung mit der Fluidzufuhr und dem Bypass-Kreislauf steht und geeignet ist, Fluid von der Fluidzufuhr in den Bypass-Kreislauf einzuspritzen, um den überhitzten Dampf in dem Bypass-Kreislauf zu kühlen. Ein Abwärmerückgewinnungssystem für einen Motor umfasst auch einen oder mehrere Verdampfer die so ausgelegt sind, dass sie Abwärme vom Motor auf Fluid aus einer Fluidversorgung übertragen, wobei der Motor die Abwärme mit dem Fluid erzeugt.The U.S. 2015/0 267 638 A1 Figure 1 shows an exhaust heat recovery system for an engine, comprising: a fluid supply; one or more evaporators adapted to transfer waste heat from the engine to fluid from the fluid supply to heat the fluid into a superheated vapor; a capacitor; a bypass circuit in fluid communication with an outlet on the one or more evaporators and an inlet on the condenser; and an injection port in fluid communication with the fluid supply and the bypass loop and adapted to inject fluid from the fluid supply into the bypass loop to cool the superheated steam in the bypass loop. A waste heat recovery system for an engine also includes one or more evaporators configured to transfer waste heat from the engine to fluid from a fluid supply, with the engine generating the waste heat with the fluid.

Die US 2011 / 0 308 253 A1 zeigt ein Zweikreislauf-Abwärmerückgewinnungssystem, das einen Hochtemperaturkreislauf umfasst, der ein erstes Arbeitsmedium verwendet. Das erste Arbeitsmedium wird durch eine erste Abwärmequelle erhitzt und dann durch einen ersten Expander zur Stromerzeugung expandiert. Das Wärmerückgewinnungssystem umfasst außerdem einen Niedertemperaturkreislauf, der ein zweites Arbeitsmedium verwendet. Der Niedertemperaturkreislauf umfasst auch einen ersten Wärmetauscher zur Erwärmung des zweiten Arbeitsmittels mit Wärme aus dem ersten Arbeitsmittel und einen zweiten Wärmetauscher zur Erwärmung des zweiten Arbeitsmittels mit Wärme aus einer zweiten Abwärmequelle. Ein Steuerventil steuert selektiv den Durchfluss des zweiten Arbeitsmediums zu jedem der ersten und zweiten Wärmetauscher entsprechend einem vorbestimmten Satz von Parametern. Ein Expander empfängt das zweite Arbeitsmedium aus dem ersten und zweiten Wärmetauscher und expandiert das zweite Arbeitsmedium zur Energieerzeugung.The U.S. 2011/0 308 253 A1 FIG. 1 shows a two-loop waste heat recovery system that includes a high-temperature loop that uses a first working fluid. The first working fluid is heated by a first waste heat source and then expanded by a first expander to generate electricity. The heat recovery system also includes a low temperature circuit that uses a second working fluid. The low-temperature circuit also includes a first heat exchanger for heating the second working fluid with heat from the first working fluid and a second heat exchanger for heating the second working fluid with heat from a second waste heat source. A control valve selectively controls the flow of the second work mediums to each of the first and second heat exchangers according to a predetermined set of parameters. An expander receives the second working fluid from the first and second heat exchangers and expands the second working fluid to generate power.

Die DE 10 2015 016 783 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie aus Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Arbeitskreislauf, umfassend eine Pumpe zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einen Abgasnachbehandlungs-Verdampfer zur Verdampfung des Arbeitsmediums mittels aus einem Abgasnachbehandlungssystem der Verbrennungskraftmaschine gewonnener Abwärme, einen Abgasrückführungs-Verdampfer zur Verdampfung des Arbeitsmediums mittels aus einem Abgasrückführungssystem der Verbrennungskraftmaschine gewonnener Abwärme und eine Expansionsmaschine zum Entspannen des verdampften Arbeitsmediums. Der Abgasrückführungs-Verdampfer umfasst mehrere Wärmetauscherblöcke, und der Abgasnachbehandlungs-Verdampfer wird nach einem ersten Wärmetauscherblock und vor einem letzten Wärmetauscherblock innerhalb des Arbeitskreislaufes von dem Arbeitsmedium durchströmt.The DE 10 2015 016 783 A1 shows a device for obtaining energy from waste heat of an internal combustion engine of a motor vehicle with a working circuit, comprising a pump for compressing a working medium, an exhaust gas aftertreatment evaporator for evaporating the working medium by means of waste heat obtained from an exhaust gas aftertreatment system of the internal combustion engine, an exhaust gas recirculation evaporator for evaporating the working medium by means of waste heat obtained from an exhaust gas recirculation system of the internal combustion engine and an expansion machine for expanding the vaporized working medium. The exhaust gas recirculation evaporator comprises a plurality of heat exchanger blocks, and the working medium flows through the exhaust gas aftertreatment evaporator after a first heat exchanger block and before a last heat exchanger block within the working circuit.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein WHR-System bereitzustellen, das einen kostengünstigen Kondensator mit geringem Gewicht umfasst.The object of the present invention is to provide a WHR system that includes a low-cost, lightweight capacitor.

Gemäß der Offenbarung werden ein WHR-System und ein Fahrzeug bereitgestellt. Entwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.According to the disclosure, a WHR system and a vehicle are provided. Developments are set out in the dependent claims.

Aluminium ist ein relativ kostengünstiges Material und verfügt über ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften. Angesichts dieser Tatsachen ist Aluminium ein zur Verwendung in einem Kondensator sehr gut geeignetes Material. Es ist jedoch nicht angemessen, einen Aluminiumkondensator bei zu hohen Temperaturen und Drücken zu verwenden. Außerdem kann Aluminium bei Kontakt mit gewissen Arbeitsmedien korrodieren. Die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium hängt stark mit der Temperatur des Arbeitsmediums zusammen. Es hat sich herausgestellt, dass die Korrosionsbeständigkeit annehmbar ist, wenn die Temperatur des Arbeitsmediums, das in den Kondensator eintritt, nicht zu hoch ist. Das WHR-System umfasst eine Kühlanordnung, die konfiguriert ist, um das Arbeitsmedium derart zu kühlen, dass verhindert wird, dass die Temperatur des Arbeitsmediums auf ein Niveau ansteigt, auf dem sie für den Aluminiumkondensator schädlich sein kann. Mit einer geeigneten Einschränkung der Temperatur des Arbeitsmediums, das zu dem Kondensator geleitet wird, kann das WHR-System mit einem Kondensator aus Aluminium versehen sein. Angesichts der anfangs erwähnten Eigenschaften aus Aluminium kann ein derartiger Kondensator ein geringes Gewicht aufweisen und kostengünstig sein.Aluminum is a relatively inexpensive material and has excellent heat transfer properties. In view of these facts, aluminum is a very suitable material for use in a capacitor. However, it is not appropriate to use an aluminum capacitor at temperatures and pressures that are too high. In addition, aluminum can corrode when it comes into contact with certain working media. The corrosion resistance of aluminum is strongly related to the temperature of the working medium. It has been found that the corrosion resistance is acceptable if the temperature of the working medium entering the condenser is not too high. The WHR system includes a cooling arrangement configured to cool the working fluid in a manner that prevents the temperature of the working fluid from rising to a level where it can be detrimental to the aluminum condenser. With a suitable limitation of the temperature of the working medium sent to the condenser, the WHR system can be provided with an aluminum condenser. In view of the properties of aluminum mentioned at the outset, such a capacitor can be light in weight and inexpensive.

Die Kühlanordnung ist konfiguriert, um zu verhindern, dass das Arbeitsmedium mit einer Temperatur über einer maximal zulässigen Temperatur in den Kondensator eintritt. Es ist möglich, eine maximale Temperatur zu bestimmen, bei der das Arbeitsmedium für den Aluminiumkondensator unschädlich ist. In diesem Fall kann die Kühlanordnung unter Betriebsbedingungen aktiviert werden, bei denen sich die Temperatur des Arbeitsmediums der maximal zulässigen Temperatur nähert. Unter den verbleibenden Betriebsbedingungen, wenn die Temperatur des Arbeitsmediums weit unter der maximal zulässigen Temperatur liegt, wird die Kühlanordnung nicht aktiviert.The cooling arrangement is configured to prevent the working fluid from entering the condenser at a temperature above a maximum allowable temperature. It is possible to determine a maximum temperature at which the working fluid is harmless to the aluminum condenser. In this case, the cooling arrangement can be activated under operating conditions where the temperature of the working medium approaches the maximum permissible temperature. Under the remaining operating conditions, when the temperature of the working medium is well below the maximum allowable temperature, the cooling arrangement is not activated.

Die Kühlanordnung umfasst eine Kühlkomponente, die konfiguriert ist, um das Arbeitsmedium in einer Position stromabwärts von dem Expander und stromaufwärts von dem Kondensator zu kühlen. Um zu verhindern, dass das Arbeitsmedium mit einer zu hohen Temperatur in den Kondensator eintritt, ist es angemessen, das Arbeitsmedium in dieser Position zu kühlen.The cooling arrangement includes a cooling component configured to cool the working fluid at a location downstream from the expander and upstream from the condenser. In order to prevent the working fluid from entering the condenser at too high a temperature, it is appropriate to cool the working fluid in this position.

Gemäß einem Beispiel kann die Kühlanordnung das Arbeitsmedium mit einer variablen Kühlkapazität kühlen. In diesem Fall ist es möglich, die Temperatur des Arbeitsmediums, das in den Kondensator eintritt, mit einer hohen Präzision zu regeln.According to one example, the cooling arrangement can cool the working medium with a variable cooling capacity. In this case, it is possible to control the temperature of the working medium entering the condenser with high precision.

Die Kühlanordnung umfasst einen Temperatursensor, der die Temperatur des Arbeitsmediums abtastet, eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, um eine Information von dem Temperatursensor über die Temperatur des Arbeitsmediums zu empfangen und um die Zufuhr eines Kühlfluids zu der Kühlkomponente zu regeln, um die Temperatur des Arbeitsmediums, das in den Kondensator eintritt, einzuschränken. Anhand einer derartigen Kühlanordnung ist es relativ einfach, die Temperatur des Arbeitsmediums, das in den Kondensator eintritt, zu regeln.The cooling arrangement includes a temperature sensor that senses the temperature of the working medium, a control unit that is configured to receive information from the temperature sensor about the temperature of the working medium and to regulate the supply of a cooling fluid to the cooling component to regulate the temperature of the working medium , entering the condenser. With such a cooling arrangement, it is relatively easy to control the temperature of the working fluid entering the condenser.

Gemäß einem Beispiel kann die Kühlkomponente ein Wärmetauscher sein, in dem das Arbeitsmedium durch einen Kühlmittelfluss gekühlt wird. In diesem Fall ist es möglich, ein Kühlmittel zu verwenden, das in einem existierenden Kühlsystem umläuft, das einen Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug kühlt. Die Kühlkomponente ist eine Kühlschlange, in der das Arbeitsmedium durch eine kühlende Luftströmung gekühlt wird. In diesem Fall weist die Kühlanordnung eine einfache und zuverlässige Bauform auf. Bevorzugt werden ein derartiger Wärmetauscher und eine derartige Kühlschlange aus rostfreiem Stahl hergestellt. Der Wärmetauscher und die Kühlschlange können im Verhältnis zu dem Kondensator relativ klein sein, da ihre einzige Aufgabe darin besteht, das Überhitzen des gasförmigen Arbeitsmediums zu reduzieren, bevor es in den Kondensator eintritt. Der Kondensationsprozess des Arbeitsmediums muss in dem Kondensator erfolgen. Die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um die Drehzahl eines Gebläses zu regeln, das eine Luftströmung in Richtung auf die Kühlschlage presst. In diesem Fall ist es möglich, die Kühlkapazität des Arbeitsmediums zu variieren, indem man den Kühlluftdurchsatz in Richtung auf die Kühlschlange variiert.According to one example, the cooling component can be a heat exchanger in which the working medium is cooled by a coolant flow. In this case, it is possible to use a coolant that circulates in an existing cooling system that cools an internal combustion engine in a vehicle. The cooling component is a cooling coil in which the working medium is cooled by a cooling air flow. In this case, the cooling instruction order a simple and reliable design. Preferably, such a heat exchanger and cooling coil are made of stainless steel. The heat exchanger and cooling coil can be relatively small in relation to the condenser since their sole purpose is to reduce superheating of the gaseous working fluid before it enters the condenser. The condensation process of the working medium must take place in the condenser. The controller may be configured to regulate the speed of a fan that forces a flow of air toward the cooling coil. In this case it is possible to vary the cooling capacity of the working fluid by varying the cooling air flow rate towards the cooling coil.

Gemäß einem Beispiel ist das Arbeitsmedium in dem WHR-System Ethanol. Ethanol weist eine Verdampfungstemperatur von ungefähr 78 °C bei 1 bar auf. Es ist relativ einfach, eine Kühlmitteltemperatur auf einem geeigneten Niveau unter der Verdampfungstemperatur von Ethanol zu erreichen und das Ethanol in einem Kondensator auf eine Kondensationstemperatur knapp über 78 °C zu kühlen. Ethanol ist jedoch auf hohen Temperaturen für Aluminium sehr korrosiv. In diesem Fall ist es sehr wichtig, die Temperatur des Arbeitsmediums auf eine geeignete maximale Temperatur einzuschränken, bei der Ethanol für den Aluminiumkondensator unschädlich ist. Eine maximal annehmbare Temperatur von ungefähr 150 °C ist in diesem Fall geeignet. Unter den meisten Betriebsbedingungen ist die Temperatur des Arbeitsmediums, das den Expander verlässt, niedriger als 150 °C. Eine höhere Temperatur des Arbeitsmediums kann beispielsweise vorkommen, wenn der Expander für einen Startvorgang vorgeheizt wird, um Kondensation an einer kalten Oberfläche des Expanders zu vermeiden. Es ist jedoch möglich, andere Arbeitsmedien, wie beispielsweise R245fa, zu verwenden.According to one example, the working fluid in the WHR system is ethanol. Ethanol has an evaporation temperature of around 78 °C at 1 bar. It is relatively easy to achieve a coolant temperature at a suitable level below the evaporating temperature of ethanol and to cool the ethanol in a condenser to a condensing temperature just above 78 °C. However, ethanol is very corrosive to aluminum at high temperatures. In this case, it is very important to limit the temperature of the working medium to a suitable maximum temperature at which ethanol is harmless to the aluminum condenser. A maximum acceptable temperature of about 150°C is suitable in this case. Under most operating conditions, the temperature of the working fluid leaving the expander is less than 150°C. A higher temperature of the working medium can occur, for example, when the expander is preheated for a starting process in order to avoid condensation on a cold surface of the expander. However, it is possible to use other working fluids, such as R245fa.

Gemäß einem Beispiel wird das Arbeitsmedium in einem Verdampfer des WHR-Systems anhand der Abgase aus einem Verbrennungsmotor erhitzt. Die Abgase aus einem Verbrennungsmotor enthalten viel Wärmeenergie, die gewöhnlich der Umgebung zugeführt wird. Anhand eines WHR-Systems ist es möglich, einen Großteil der Wärmeenergie in den Abgasen wiederzugewinnen. Auf Grund der hohen Temperaturen der Abgase kann das WHR-System einen Verdampfer umfassen, der aus rostfreiem Stahl hergestellt wird.According to one example, the working fluid in an evaporator of the WHR system is heated using exhaust gases from an internal combustion engine. The exhaust gases from an internal combustion engine contain a lot of thermal energy, which is usually released into the environment. With a WHR system it is possible to recover a large part of the thermal energy in the exhaust gases. Due to the high temperatures of the exhaust gases, the WHR system may include an evaporator made of stainless steel.

Figurenlistecharacter list

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung als Beispiel beschrieben. Es zeigen:

  • 1 ein WHR-System gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
  • 2 ein WHR-System gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
A preferred embodiment of the invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a WHR system according to a first embodiment of the invention, and
  • 2 a WHR system according to a second embodiment of the invention.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION

1 zeigt einen Verbrennungsmotor 2, der ein schematisch offenbartes Fahrzeug 1 mit Energie versorgt. Der Verbrennungsmotor 2 kann ein Dieselmotor sein. Das Fahrzeug 1 kann ein Lastfahrzeug sein. Das Fahrzeug ist mit einem WHR-System (System zur Wiedergewinnung von Abwärme) versehen. Das WHR-System umfasst eine Pumpe 3, die ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf 4 unter Druck setzt und umwälzt. In diesem Fall ist das Arbeitsmedium Ethanol. Es ist jedoch möglich, andersartige Arbeitsmedien, wie beispielsweise R245fa, zu verwenden. Die Pumpe 3 wälzt das Arbeitsmedium bis zu einem Verdampfer 5 um. Das Arbeitsmedium wird in dem Verdampfer 5 durch Abgase erhitzt, die in einer Abgasleitung 6 aus dem Verbrennungsmotor 2 heraus geleitet werden. Die Abgasleitung 6 umfasst eine Umgehungsleitung 6a und ein Ventil 6b, wodurch es möglich ist, einen variablen Anteil der Abgase an dem Verdampfer 5 vorbei zu leiten. Eine Abgasleitung 6 leitet die Abgase aus dem Verbrennungsmotor 2 heraus. Die Abgasleitung 6 kann Komponenten umfassen, die in 1 nicht angegeben sind, wie etwa eine Turbine eines Turboladers und Komponenten zur Abgasnachbehandlung. Das Arbeitsmedium wird in dem Verdampfer 5 durch die Abgase auf eine Temperatur erhitzt, bei der es verdampft. Der Verdampfer wird aus rostfreiem Stahl hergestellt. Das Arbeitsmedium wird von dem Verdampfer 5 bis zu einem Expander 7 umgewälzt. 1 Figure 1 shows an internal combustion engine 2 powering a vehicle 1 schematically disclosed. The internal combustion engine 2 can be a diesel engine. The vehicle 1 can be a truck. The vehicle is equipped with a WHR system (waste heat recovery system). The WHR system includes a pump 3 that pressurizes and circulates a working fluid in a closed circuit 4 . In this case, the working medium is ethanol. However, it is possible to use other types of working media, such as R245fa. The pump 3 circulates the working medium up to an evaporator 5 . The working medium is heated in the evaporator 5 by exhaust gases which are conducted out of the internal combustion engine 2 in an exhaust pipe 6 . The exhaust pipe 6 comprises a bypass pipe 6a and a valve 6b, which makes it possible to direct a variable proportion of the exhaust gases past the evaporator 5. An exhaust pipe 6 conducts the exhaust gases out of the internal combustion engine 2 . The exhaust pipe 6 can include components that are 1 are not specified, such as a turbine of a turbocharger and components for exhaust gas aftertreatment. The working medium is heated in the evaporator 5 by the exhaust gases to a temperature at which it evaporates. The evaporator is made of stainless steel. The working medium is circulated from the evaporator 5 to an expander 7 .

Das unter Druck gesetzte und erhitzte Arbeitsmedium wird in dem Expander 7 expandiert. Der Expander 7 erzeugt eine Drehbewegung, die über ein geeignetes mechanisches Getriebe 8a auf eine Welle 8b des Antriebsstrangs des Fahrzeugs 1 übertragen wird. Alternativ kann der Expander 7 an einen Generator angeschlossen sein, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie kann in einer Batterie gespeichert werden. Nachdem das Arbeitsmedium durch den Expander 7 gegangen ist, wird es bis zu einer Kühlschlange 9 geleitet, in der es durch eine Kühlluftströmung gekühlt werden kann, die durch ein [Gebläse] 10 bereitgestellt wird. Das Gebläse 10 wird durch einen Elektromotor 11 angetrieben. Der Elektromotor 11 kann das Gebläse 10 mit einer variablen Drehzahl antreiben. Die Drehzahl des Gebläses 10 und der Luftdurchsatz, die zu der Kühlschlange 9 geleitet werden, können stufenlos geändert werden. Somit kann die Kühlkapazität des Arbeitsmediums in der Kühlschlange 9 ebenfalls stufenlos geändert werden.The pressurized and heated working fluid is expanded in the expander 7 . The expander 7 generates a rotational movement which is transmitted to a shaft 8b of the drive train of the vehicle 1 via a suitable mechanical transmission 8a. Alternatively, the expander 7 can be connected to a generator that converts mechanical energy into electrical energy. The electrical energy can be stored in a battery. After the working fluid has passed through the expander 7 it is routed up to a cooling coil 9 where it can be cooled by a flow of cooling air provided by a [fan] 10 . The fan 10 is driven by an electric motor 11 . The electric motor 11 can drive the fan 10 at a variable speed. The speed of the fan 10 and the air flow rate directed to the cooling coil 9 can be changed steplessly. Thus, the cooling capacity of the Working medium in the cooling coil 9 can also be changed steplessly.

Ein Temperatursensor 12 tastet die Temperatur des Arbeitsmediums in einer Position stromabwärts von der Kühlschlange 9 und stromaufwärts von einem Kondensator 13 ab. Der Kondensator 13 wird aus Aluminium hergestellt. Eine Steuereinheit 14 empfängt Informationen von dem Temperatursensor 12 und steuert den Elektromotor 11 und das Gebläse 10 angesichts dieser Informationen derart, dass das Arbeitsmedium auf eine geeignete Temperatur gekühlt wird, bevor es in den Kondensator 13 eintritt. Die Steuereinheit 10 kann auch den Betrieb der Pumpe 3 und des Expanders 7 steuern. Das Arbeitsmedium wird in dem Kondensator 13 durch Kühlmittel, das in einem Kühlkreislauf 15 umgewälzt wird, auf eine Temperatur gekühlt, bei der es kondensiert. Das Kühlmittel kann eine Temperatur von ungefähr 70 °C aufweisen. Das kondensierte Arbeitsmedium wird von dem Kondensator 13 bis zu einem Tank 16 geleitet. Die Pumpe 3 saugt das Arbeitsmedium aus dem Tank 16 an und leitet es zu dem Verdampfer 5. Das WHR-System ermöglicht es, thermische Energie aus den Abgasen in mechanische Energie oder elektrische Energie umzuwandeln.A temperature sensor 12 senses the temperature of the working fluid at a position downstream of the cooling coil 9 and upstream of a condenser 13 . The capacitor 13 is made of aluminum. A control unit 14 receives information from the temperature sensor 12 and controls the electric motor 11 and the fan 10 in view of this information so that the working medium is cooled to an appropriate temperature before it enters the condenser 13 . The control unit 10 can also control the operation of the pump 3 and the expander 7 . The working medium is cooled in the condenser 13 by coolant, which is circulated in a cooling circuit 15, to a temperature at which it condenses. The coolant may have a temperature of approximately 70°C. The condensed working medium is routed from the condenser 13 to a tank 16 . The pump 3 sucks the working medium from the tank 16 and directs it to the evaporator 5. The WHR system makes it possible to convert thermal energy from the exhaust gases into mechanical energy or electrical energy.

Ein Kondensator eines herkömmlichen WHR-Systems wird aus rostfreiem Stahl hergestellt, so dass er hohen Drücken, hohen Temperaturen und einem korrosiven Arbeitsmedium, wie etwa Ethanol, widerstehen kann. Rostfreier Stahl weist jedoch geringere Wärmeübertragungseigenschaften auf als Aluminium, ist kostspieliger als Aluminium und weist ein höheres Gewicht auf. Somit muss ein Kondensator aus rostfreiem Stahl mit einer entsprechenden Kapazität wie ein Kondensator aus Aluminium erheblich größer, schwerer und kostspieliger sein. Andererseits weist ein Kondensator aus Aluminium eine geringere Beständigkeit bei hohen Temperaturen und Drücken auf. Ferner ist Aluminium für bestimmte Arbeitsmedien, wie etwa Ethanol, bei hohen Temperaturen sehr korrosionsanfällig. Um ein WHR-System bereitzustellen, das einen kleinen, leichten und kostengünstigen Aluminiumkondensator und ein Arbeitsmedium in Form von Ethanol umfasst, darf die Temperatur des Arbeitsmediums nicht höher als eine maximal zulässige Temperatur sein. Eine derart maximal zulässige Temperatur beträgt in diesem Fall ungefähr 150 °C. Bei höheren Temperaturen des Arbeitsmediums besteht ein hohes Risiko von Korrosion für den Aluminiumkondensator.A condenser of a conventional WHR system is made of stainless steel so that it can withstand high pressures, high temperatures, and a corrosive working fluid such as ethanol. However, stainless steel has poorer heat transfer properties than aluminum, is more expensive than aluminum, and is heavier. Thus a stainless steel capacitor of equivalent capacitance as an aluminum capacitor must be significantly larger, heavier and more expensive. On the other hand, a capacitor made of aluminum has lower resistance to high temperatures and pressures. Furthermore, aluminum is very susceptible to corrosion at high temperatures for certain working media, such as ethanol. In order to provide a WHR system that includes a small, lightweight, and inexpensive aluminum condenser and a working fluid in the form of ethanol, the temperature of the working fluid must be no higher than a maximum allowable temperature. Such a maximum allowable temperature is approximately 150°C in this case. At higher temperatures of the working medium there is a high risk of corrosion for the aluminum condenser.

Während des Betriebs des Verbrennungsmotors 2 ist es erwünscht, einen hohen thermischen Wirkungsgrad in dem WHR-System zu bewahren. Um einen hohen thermischen Wirkungsgrad des WHR-Systems zu bewahren, muss das Arbeitsmedium in dem Kondensator 13 auf einen möglichst niedrigen Kondensationsdruck gekühlt werden. Es ist jedoch angemessen, aus praktischen Gründen einen negativen Druck in dem WHR-System zu vermeiden. Angesichts dieser Tatsachen, ist es angemessen, das Arbeitsmedium in dem Kondensator 13 auf einen Kondensationsdruck knapp über 1 bar zu kühlen. Folglich kann die Steuereinheit 14, um einen hohen thermischen Wirkungsgrad zu bewahren, die Temperatur und/oder den Kühlmittelfluss in dem Kreislauf 15 zu dem Kondensator 13 derart regeln, dass der Kondensationsdruck knapp über 1 bar liegt. Das Arbeitsmedium Ethanol weist eine Kondensationstemperatur von 78 °C bei dem Kondensationsdruck von 1 bar auf. In diesem Fall ist es angemessen, eine Kondensationstemperatur von knapp über 78 °C in dem Kondensator 13 zu erreichen. Die Steuereinheit 14 empfängt ständig Informationen von dem Temperatursensor 12 über die Temperatur des Arbeitsmediums, das in den Kondensator 13 eintritt. Sobald die Steuereinheit 14 Informationen empfängt, die angeben, dass das Arbeitsmedium eine Temperatur aufweist, die weit unter 150 °C liegt, besteht kein Grund, das Gebläse 9 zu starten. Unter Betriebsbedingungen, bei denen die Steuereinheit 14 von dem Temperatursensor 12 eine Information empfängt, die angibt, dass das Arbeitsmedium eine Temperatur aufweist, die nahe an der maximal zulässigen Temperatur liegt, aktiviert sie den Elektromotor 11 und das Gebläse 10, so dass es eine geeignete Kühlluftströmung durch die Kühlschlange 9 hindurch presst. Die Kühlluftströmung kühlt das Arbeitsmedium, so dass es eine etwas niedrigere Temperatur als die maximal zulässige erzielt. Die Steuereinheit 14 kann den Elektromotor 11 und das Gebläse 10 derart steuern, dass ein variabler Luftdurchsatz das Arbeitsmedium in der Kühlschlange 9 kühlt. In diesem Fall ist es möglich, eine geeignete Temperatur des Arbeitsmediums mit hoher Präzision zu bewahren. Unter Betriebsbedingungen, bei denen die Steuereinheit 14 von dem Temperatursensor 12 eine Information empfängt, die angibt, dass das Arbeitsmedium eine Temperatur weit unter der maximal zulässigen Temperatur aufweist, aktiviert sie den Elektromotor 11 und das Gebläse 10 nicht.During operation of the engine 2, it is desirable to maintain high thermal efficiency in the WHR system. In order to maintain a high thermal efficiency of the WHR system, the working medium in the condenser 13 must be cooled to the lowest possible condensation pressure. However, it is reasonable to avoid negative pressure in the WHR system for practical reasons. In view of these facts, it is appropriate to cool the working medium in the condenser 13 to a condensation pressure of just over 1 bar. Consequently, in order to maintain a high thermal efficiency, the control unit 14 can regulate the temperature and/or the refrigerant flow in the circuit 15 to the condenser 13 such that the condensing pressure is just over 1 bar. The working medium ethanol has a condensation temperature of 78 °C at a condensation pressure of 1 bar. In this case it is appropriate to reach a condensation temperature of just over 78°C in the condenser 13. The control unit 14 constantly receives information from the temperature sensor 12 about the temperature of the working medium entering the condenser 13 . As soon as the control unit 14 receives information indicating that the working medium has a temperature well below 150°C, there is no reason to start the blower 9 . Under operating conditions in which the control unit 14 receives information from the temperature sensor 12 indicating that the working medium has a temperature close to the maximum permissible temperature, it activates the electric motor 11 and the fan 10 so that there is a suitable Cooling air flow pressed through the cooling coil 9 therethrough. The flow of cooling air cools the working medium so that it reaches a slightly lower temperature than the maximum permissible. The control unit 14 can control the electric motor 11 and the fan 10 in such a way that a variable air throughput cools the working medium in the cooling coil 9 . In this case, it is possible to keep an appropriate temperature of the working medium with high precision. Under operating conditions in which the control unit 14 receives information from the temperature sensor 12 indicating that the working medium has a temperature far below the maximum permissible temperature, it does not activate the electric motor 11 and the fan 10 .

2 zeigt eine alternative Ausführungsform des WHR-Systems. In diesem Fall wird das Arbeitsmedium in einem Wärmetauscher 17 durch ein umlaufendes Kühlmittel gekühlt. Das Kühlmittel läuft in einem Kreislauf 18 um, der an ein Kühlsystem angeschlossen ist, das den Verbrennungsmotor 2 kühlt. Das Kühlmittel kann eine Temperatur von ungefähr 90 bis 110 °C aufweisen, wenn es in den Wärmetauscher 17 eintritt. Die Steuereinheit 14 steuert die Zufuhr des Kühlmittels zu dem Wärmetauscher 17 anhand eines Ventils 19. Der Wärmetauscher 17 wird aus rostfreiem Stahl hergestellt. Der Wärmetauscher 17 ist im Verhältnis zu dem Kondensator 13 klein, da die Aufgabe des Wärmetauschers 17 nur darin besteht, ein überhitztes gasförmiges Arbeitsmedium zu kühlen, so dass es keine Temperatur über 150 °C aufweist, wenn es in den Kondensator 13 eintritt. Auch in diesem Fall ist es möglich, ein WHR-System bereitzustellen, dass einen Aluminiumkondensator 13 umfasst. 2 Figure 12 shows an alternative embodiment of the WHR system. In this case, the working medium is cooled in a heat exchanger 17 by a circulating coolant. The coolant circulates in a circuit 18 which is connected to a cooling system which cools the internal combustion engine 2 . The coolant may have a temperature of about 90 to 110°C when it enters the heat exchanger 17 . The control unit 14 controls the supply of coolant to the heat exchanger 17 by means of a valve 19. The heat exchanger 17 is made of stainless steel. The heat exchanger 17 is small in relation to the condenser 13, since the task of the heat exchanger 17 is only a superheated gaseous To cool working medium so that it has no temperature above 150 ° C when it enters the condenser 13. In this case, too, it is possible to provide a WHR system including an aluminum capacitor 13 .

Claims (7)

WHR-System für ein Fahrzeug (1), wobei das WHR-System eine Pumpe (3), die konfiguriert ist, um ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf (4) unter Druck zu setzen und umzuwälzen, einen Verdampfer (5), in dem das Arbeitsmedium konfiguriert ist, um erhitzt und verdampft zu werden, einen Expander (7), in dem das Arbeitsmedium konfiguriert ist, um zu expandieren, und einen Kondensator (13), in dem das Arbeitsmedium konfiguriert ist, um gekühlt und kondensiert zu werden, umfasst, wobei: - der Kondensator (13) aus Aluminium hergestellt ist, - das WHR-System eine Kühlanordnung umfasst, die konfiguriert ist, um das Arbeitsmedium derart zu kühlen, dass es eine Temperatur aufweist, wenn es in den Aluminiumkondensator eintritt, bei der das Arbeitsmedium für den Aluminiumkondensator (13) als unschädlich angesehen wird, - die Kühlanordnung eine Kühlkomponente (9, 17) umfasst, die konfiguriert ist, um das Arbeitsmedium in einer Position stromabwärts von dem Expander (7) und stromaufwärts des Kondensators (13) zu kühlen, - die Kühlanordnung einen Temperatursensor (12), der die Temperatur des Arbeitsmediums abtastet, eine Steuereinheit (14), die konfiguriert ist, um von dem Temperatursensor (12) eine Information über die Temperatur des Arbeitsmediums zu empfangen und um die Zufuhr eines Kühlfluids zu der Kühlkomponente (9, 17) zu steuern, um die Temperatur des Arbeitsmediums, das in den Kondensator (13) eintritt, einzuschränken, umfasst, und - die Kühlkomponente eine Kühlschlange (9) ist, in der das Arbeitsmedium durch eine Kühlluftströmung gekühlt wird.A WHR system for a vehicle (1), the WHR system comprising a pump (3) configured to pressurize and circulate a working fluid in a closed circuit (4), an evaporator (5) in which the working medium is configured to be heated and vaporized, an expander (7) in which the working medium is configured to expand and a condenser (13) in which the working medium is configured to be cooled and condensed, includes, where: - the condenser (13) is made of aluminum, - the WHR system comprises a cooling arrangement configured to cool the working medium such that it has a temperature when entering the aluminum condenser at which the working medium is considered harmless to the aluminum condenser (13), - the cooling arrangement comprises a cooling component (9, 17) configured to cool the working medium in a position downstream of the expander (7) and upstream of the condenser (13), - the cooling arrangement has a temperature sensor (12) that senses the temperature of the working medium, a control unit (14) that is configured to receive information about the temperature of the working medium from the temperature sensor (12) and to supply a cooling fluid to the controlling the cooling component (9, 17) to limit the temperature of the working fluid entering the condenser (13), and - the cooling component is a cooling coil (9) in which the working medium is cooled by a flow of cooling air. WHR-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung konfiguriert ist, um zu verhindern, dass das Arbeitsmedium in den Kondensator (13) mit einer Temperatur über einer maximal zulässigen Temperatur eintritt.WHR system after claim 1 , characterized in that the cooling arrangement is configured to prevent the working medium entering the condenser (13) at a temperature above a maximum allowable temperature. WHR-System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kühlanordnung in der Lage ist, das Arbeitsmedium mit einer variablen Kühlkapazität zu kühlen.WHR system after claim 1 or 2 , wherein the cooling arrangement is able to cool the working medium with a variable cooling capacity. WHR-System nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (14) konfiguriert ist, um die Drehzahl eines Gebläses (10) zu regeln, das eine Luftströmung in Richtung auf die Kühlschlange (9) presst.WHR system after claim 1 , wherein the control unit (14) is configured to regulate the speed of a fan (10) which forces a flow of air towards the cooling coil (9). WHR-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium in dem WHR-System Ethanol ist.A WHR system according to any one of the preceding claims, wherein the working fluid in the WHR system is ethanol. WHR-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium in einem Verdampfer (5) des WHR-Systems anhand von Abgasen aus einem Verbrennungsmotor (2) erhitzt wird.WHR system according to one of the preceding claims, wherein the working medium is heated in an evaporator (5) of the WHR system using exhaust gases from an internal combustion engine (2). Fahrzeug, wobei es ein WHR-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.A vehicle comprising a WHR system according to any one of the preceding claims.
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